WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 8 Низкотемпературные материалы и тонкопленочные транзисторы для электроники на гибких подложках © А. Сазонов,¶, М. Мейтин,+, Д. Стряхилев, A. Nathan Electrical and Computer Engineering Department, University of Waterloo, ON N2L 3G1 Waterloo, Canada + ATI Technologies Inc., L3T 7XG Ontario, Canada (Получена 24 ноября 2005 г. Принята к печати 21 декабря 2005 г.) Рассмотрены процессы осаждения и электронные свойства тонкопленочных полупроводников и диэлектриков на основе кремния для производства электронных приборов на гибких пластиковых пленках. Пленки аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si : H), нанокристаллического кремния (nc-Si) и аморфного нитрида кремния (a-SiNx), а также тонкопленочные транзисторы (ТПТ) были изготовлены при низких температурах процессов (120C, 75C) с использованием существующего промышленного плазмохимического оборудования. Параметры тонкопленочных транзисторов на основе a-Si : H, изготовленных при столь низких температурах, соответствуют своим высокотемпературным аналогам.

PACS: 81.15.Gh, 85.30.Tv 1. Введение диффузия или эпитаксия, и вносит жесткие ограничения на использование процессов плазмохимического осаждеЭлектронные приборы, изготовленные на гибких пла- ния, напыления, фотолитографии и т. д. Соответственно стиковых подложках, или „гибкая электроника“, в по- ограничен выбор материалов для приборов гибкой элекследние несколько лет являются объектом бурно раз- троники.

вивающихся исследований [1]. Это обусловлено, во- Чрезвычайно привлекательным кандидатом являются первых, возможностью создания принципиально новых органические полупроводники, особенно на базе полимепродуктов на основе этой технологии (таких, как гиб- ров. Полимеры могут наноситься центрифугированием при комнатной температуре, что совместимо с технокие дисплеи или солнечные батареи, интегрируемые логией „roll-to-roll“; подвижность носителей в органичев одежду, трехмерные сферические камеры „рыбий глаз“ и т. д.) и, как следствие, расширения рынка элек- ских полупроводниках (олигомерных) уже сопоставима с аморфным кремнием ( 1см2/(В · с)) [8]. Однако эти троники. Во-вторых, существенное снижение себестоматериалы окисляются на воздухе и, как следствие, имости производства таких приборов по сравнению с нуждаются в пассивации, которая возможна лишь в традиционной технологией производства микросхем на рамках неорганической тонкопленочной технологии [9].

жесткой кремниевой или стеклянной пластине может Кроме того, технология органических полупроводников быть достигнуто за счет использования технологии нуждается в улучшении, поэтому в ближайшие 10 лет „roll-to-roll“ — изготовления приборов на движущейся широкое внедрение этого класса материалов видится пластиковой ленте, подобно печати газет. В этом случае маловероятным.

длина пластиковой ленты может достигать нескольких Другим направлением является использование высокилометров, что гораздо больше, чем максимальный котемпературных неорганических материалов на гибразмер подложки в современной планарной технологии, ких подложках, сохраняющих устойчивость при высосоставляющий 25-30 см [2,3]. В настоящее время сущеких температурах (гибкое стекло, металлическая фольствуют коммерческие продукты, выпускаемые по такой га [10,11]). Преимуществом этого подхода является возтехнологии (солнечные батареи [4,5]), и ряд прототипов можность использовать существующие технологии неор(активные матрицы тонкопленочных транзисторов [6], ганических полупроводников с хорошими электронными тонкопленочные батареи [7]). Однако очевидно, что мы свойствами, например, поликристаллический кремний с находимся лишь в начальной стадии развития рынка подвижностью носителей более 100 см2/(В · c). Однако таких продуктов.

вследствие высокой стоимости таких подложек и ряда Вследствие низких максимальных рабочих температур их особенностей (например, в случае металлической большинства дешевых пластиков (температуры стеклофольги, встроенная емкость между подложкой и прибования для них находятся в области 80-150C) предельрами, изготовленными на ней) такой подход приемлем но допустимые температуры технологического процесса лишь для ограниченного числа применений, главным для гибкой электроники лежат в районе 100-150C. Это образом продуктов с высокой прибавочной стоимостью делает невозможным использование многих технологий, (например, гибких дисплеев для цифрового телевидения традиционных для изготовления приборов на кристалс высоким разрешением).

лическом кремнии, таких, как термическое окисление, Наконец, снижение температур в неорганических тон¶ E-mail: asazonov@venus.uwaterloo.ca копленочных процессах ниже предела дешевых плаНизкотемпературные материалы и тонкопленочные транзисторы для электроники на гибких подложках Таблица 1. Сравнительные характеристики материалов гибкой электроники с точки зрения их применения для изготовления ТПТ Возможность Однородность Технологич- Однородность Стабильность изготовления Переключающие по току Материалы ность и воспро- по напряжению напряжения на гибкой свойства на большой изводимость отсечки отсечки подложке площади Органические В ближайшем Потенциально Низкая подвижность — Плохая — требуется Плохая Плохая будущем хорошая требуется большая программирование величина W/L; по току p-канал Неорганические В будущем Плохая Высокая подвижность — То же » Лучше, чем высокотемпера- малая величина W/L; у a-Si : H турные (поли- n-канал и p-канал кремний) Неорганические В ближайшем Очень хорошая Низкая подвижность — » » Хорошая Плохая низкотемпера- будущем требуется большая турные (a-Si : H) величина W/L; n-канал стиковых подложек является направлением, которому нанокристаллического кремния в качестве активного посвящена данная статья. Снизив температуру процесса, слоя ТПТ [12]. На рис. 1 показаны области применения мы получаем возможность использовать более широкую аморфного и поликристаллического кремния для OLEDноменклатуру материалов подложек, включая дешевые дисплеев. Даже при использовании довольно консер(бумага, ткань); большее количество материалов с низ- вативных параметров технологии можно использовать кой термической стойкостью может быть интегрировано a-Si : H в активных матрицах дисплеев разрешением в технологический процесс (например, адгезивы, поли- на 600 точек (super video graphics array, SVGA) и диамеры, биологические субстанции); снижаются термиче- гональю свыше 40 дюймов (100 см), что соответствует ские деформации подложки и термические напряжения рынку компьютерных мониторов и рекламных дисплеев.

между материалами подложки и приборов (типичные Наш подход к разработке приборов гибкой элеккоэффициенты термического расширения для пластикотроники основан на использовании низких температур вой подложки и для неорганических тонкопленочных осаждения (ниже 150C), совместимых с дешевыми материалов на основе кремния составляют около 10-5 пластиковыми подложками, на применении технологии и 10-6 K-1 соответственно); материаловедение, физика тонкопленочного кремния и использовании существуюприборов и технология в этом случае достаточно хорошо развиты (например, для аморфного кремния). Таким образом, адаптация существующих тонкопленочных технологий на основе аморфного, нанокристаллического или поликристаллического кремния к технологии гибкой электроники за счет снижения температуры процесса представляется наиболее перспективным решением в ближайшем будущем.

Насколько применим тонкопленочный кремний для коммерческой электроники Табл. 1 характеризует применимость материалов — потенциальных кандидатов для одного из наиболее распространенных приборов гибкой электроники — тонкопленочных транзисторов (ТПТ), — которые применяются в качестве пиксельных переключателей в интенсивно разрабатываемых в последнее время дисплеях на основе органических светоизлучающих диодов (OLED). За исключениемподвижности и стабильности напряжения отсечки, аморфный кремний превосходит своих конкурентов. Низкая подвижность может быть скомпенсирована более высоким отношением ширины канала ТПТ (W ) к его длине (L), Рис. 1. Области применения аморфного и поликристаллиW /L, а нестабильность напряжения отсечки — ис- ческого кремния для OLED-дисплеев (M. Hack, J. Brown, пользованием схем ее компенсации или применением Information Display, July 2002).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 988 А. Сазонов, М. Мейтин, Д. Стряхилев, A. Nathan Таблица 2. Свойства аморфного кремния, осажденного при температурах 260, 120 и 75C Температура Темновая проводимость Оптическая ширина Параметр Концентрация Микроструктурный осаждения, C 10-11 Ом-1см-1 запрещенной зоны, эВ Урбаха, мэВ водорода, ат% параметр R 260 1 1.75 50 10 120 4.2 1.92 50 10.9 75 9.0 1.90 55 9.5 щего технологического оборудования, а именно, плоско- ми свойствами пленок a-Si : H; чем ниже R, тем лучше параллельных реакторов плазмохимического осаждения пленки) около нуля. Следовательно, a-Si : H, осажденный на частоте 13.56 МГц. Температуры осаждения (Ts) были при низкой температуре, по своим основным характеривыбраны в силу их совместимости с наиболее рас- стикам является материалом, годным для применения в пространенными оптически прозрачными пластиковыми электронных приборах [16,17].

пленками: полиэтилен нафталат (PEN, Ts = 120C) и В табл. 3 представлены структурные и электронные полиэтилен терефталат (PET, Ts = 75C). свойства пленок нанокристаллического кремния толщиной 100 нм, осажденных при температуре 75C, и типичные свойства материала „приборного“ качества, 2. Низкотемпературные осажденного при более высокой температуре (250C), тонкопленочные материалы а также свойства сильно легированного нанокристална основе кремния лического кремния n-типа, осажденного при 75C и используемого в качестве контактного слоя к стоку Что происходит с тонкопленочными материалами на и истоку тонкопленочных транзисторов. Низкотемпераоснове кремния при уменьшении температуры осаждетурный материал сопоставим по свойствам с высокотемния ниже 150C Увеличивается концентрация дефектов пературным аналогом, а его темновая проводимость на (оборванных связей), которые являются ловушками нопорядок ниже, что предположительно связано с низким сителей заряда; увеличивается концентрация водорода в уровнем активации примесей (прежде всего, кислорода) пленках, главным образом за счет ди- и полигидридов, а в nc-Si [18]. Таким образом, тонкопленочные транзистотакже водородных цепочек, что коррелирует с ухудшениры на основе такого материала могут обладать более ем электронных свойств; снижается плотность пленок, низкими токами утечки.

материалы становятся пористыми; снижается эффективВ качестве подзатворного диэлектрика в ТПТ на ность легирования [13]. В литературе это объясняется основе a-Si : H традиционно применяется плазмохимиболее низкой подвижностью радикалов, осаждаемых на ческий аморфный нитрид кремния, а в ТПТ на поповерхности пленки, вследствие снижения термической ликристаллическом кремнии — плазмохимический окэнергии в поверхностном слое (зоне роста) [14]. Изсид [19]. При снижении температуры осаждения ниже вестно, что поверхностная подвижность может быть 200C токи утечки через оксид существенно возрастаувеличена за счет селективного повышения энергии ют вследствие снижения плотности пленки (материал частиц на поверхности роста с помощью методов иных, становится пористым) [20,21]. Качество оксида может нежели термические („мягкая“ бомбардировка легкими быть улучшено при его осаждении в плазме высоионами (H+, He+) с энергией менее 50 эВ, экзотермичекой плотности (например, в установках электронноские поверхностные химические реакции) [14,15]. Наши го циклотронного резонанса) [22]. Однако максимальэксперименты были основаны на управлении параметная площадь осаждения в таких установках огранирами осаждения таким образом, чтобы увеличить высвобождение энергии в поверхностном слое без нагрева всей подложки, и таким образом обеспечить там условия Таблица 3. Структурные и электронные свойства нанокриосаждения, сходные с высокотемпературными. сталлического кремния, осажденного при температурах и 75C, и свойства сильно легированного нанокристаллическоВ табл. 2 представлены свойства аморфного кремния, го кремния n-типа, осажденного при 75C осажденного при температурах 120 и 75C. Для сравнения приведены типичные свойства материала „приборСредний ного“ качества, осажденного при более высокой темпеТемпература Толщина Темновая про- Кристалразмер ратуре (260C). Как видно, все три пленки обладают осаждения, пленки, водимость, личность, кристал темновой проводимостью ниже 10-10 Ом-1см-1, оптиC нм Ом-1см-1 % лита, нм ческой шириной запрещенной зоны между 1.7 и 1.9 эВ, краем Урбаха около 50 мэВ, концентрацией водорода 250 100 10-6 82 около 10 ат%, микроструктурным параметром R (отно- 75 (нелеги- 100 3 · 10-7 75 шение концентрации одиночных связей Si–H и полигид- рованный) 75 (n+) 60 0.3 72 ридов Si–Hn, n > 1, которое коррелирует с электронныФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Низкотемпературные материалы и тонкопленочные транзисторы для электроники на гибких подложках Таблица 4. Свойства плазмохимического нитрида кремния, осажденного при температурах 260, 120 и 75C Температура Плотность, Стресс, Диэлектрическая Сопротивление Пробивное поле, осаждения, C г/см3 МПа постоянная при 1 МВ/см, Ом·см МВ/см 260 3 -200 6 1015 120 2.1 -173 6.2 2 · 1015 5.75 2.57 -221 5.6 2 · 1015 10.75 2.44 -44 5.8 2 · 1014 7.чена 25-30 см2, что плохо совместимо с технологи- В результате экспериментов мы получили набор матеей „roll-to-roll“. Поэтому в наших экспериментах глав- риалов (a-Si : H, nc-Si, n+-nc-Si, a-SiNx ), достаточный для ным образом использовался плазмохимический нитрид изготовления тонкопленочных транзисторов при низких кремния. температурах осаждения, используя пластиковые пленки в качестве подложек.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.